De la luz solar a la electricidad con energía fotovoltaica de estado sólido

energía solar en la liga de los combustibles fósiles menos sus efectos indeseables. Los investigadores del Lawrence Berkeley National Laboratory han encontrado un mecanismo para tratar el problema de la limitación del voltaje de la banda. En el lenguaje de la física de estado sólido, una brecha de banda también se conoce como una brecha de energía. Es la cantidad de energía necesaria para liberar un electrón de la cubierta exterior de su órbita y convertirlo en un portador de carga móvil. Este electrón puede moverse libremente dentro del material sólido. En los materiales conductores, las dos bandas a menudo se superponen, por lo que es posible que no muestren una gran separación entre ellas.

>El Centro de Noticias de Berkeley Lab ha ideado un nuevo método que permite que el efecto fotovoltaico tenga lugar en películas delgadas de semiconductores. El compuesto que lo hace posible es la ferrita de bismuto. La ferrita de bismuto es una cerámica compuesta de bismuto, oxígeno y hierro. La ferrita de bismuto tiene una propiedad única conocida como propiedad multiferroica. Esta propiedad permite que la ferrita de bismuto presente propiedades ferroeléctricas y ferromagnéticas. Cuando los científicos estaban utilizando la ferrita de bismuto para su agradable sorpresa descubrieron que el efecto fotovoltaico puede surgir voluntariamente en la nanoescala debido a la estructura cristalina rombohedralmente distorsionada de la cerámica.

Jan Seidel es un físico que tiene citas conjuntas con la División de Ciencias de Materiales del Berkeley Lab y el Departamento de Física de la UC Berkeley. Nos entusiasma encontrar una funcionalidad que no se había visto antes a nanoescala en un material multiferroico. Ahora estamos trabajando en la transferencia de este concepto a dispositivos relacionados con la investigación energética de mayor eficiencia».

Si exploramos un poco de física, podemos encontrar que las células solares de estado sólido convencionales son una unión p-n. La unión p-n actúa como la interfaz entre una capa de semiconductores que tiene un montón de «agujeros» cargados positivamente y otra capa que tiene un montón de electrones cargados negativamente. Cuando la luz del sol cae sobre las células solares, los fotones del sol son absorbidos. Esta absorción ayuda a los pares de agujeros de electrones que pueden separarse dentro de una «zona de agotamiento». Esta zona es un área microscópica en la unión p-n. El resultado final de todo el proceso es la generación de electricidad. Pero todo el proceso no es tan fácil. Se requieren ciertas condiciones. La primera condición es que los fotones tengan que penetrar el material hasta la zona de agotamiento. La siguiente condición es que su energía tiene que coincidir exactamente con la energía del espacio de banda electrónico del semiconductor. ¿Cuál es la consecuencia de todo esto? Según Seidel, «La máxima tensión que pueden producir los dispositivos fotovoltaicos de estado sólido convencionales es igual a la energía de su banda electrónica. Incluso para las llamadas células tándem, en las que se apilan varias uniones semiconductoras p-n, las fotovoltaicas siguen siendo limitadas debido a la profundidad de penetración finita de la luz en el material». En un mundo simplificado, todas estas condiciones reducen la eficiencia de la conversión de la energía solar.

¿Cómo el Berkeley Lab’s Helios Solar Energy Research Center es capaz de aumentar el índice de eficiencia de la energía solar? Porque, Seidel y sus compañeros de equipo encontraron que al aplicar luz blanca a la ferrita de bismuto, podían producir fotovoltaicas dentro de áreas submicroscópicas entre uno y dos nanómetros de diámetro! Estos fotovoltaicos fueron definitivamente más altos que la separación de banda electrónica de la ferrita de bismuto.

Seidel señala las ventajas de su trabajo, «La energía de banda de la ferrita de bismuto es equivalente a 2,7 voltios. De nuestras mediciones sabemos que con nuestro mecanismo podemos obtener aproximadamente 16 voltios a una distancia de 200 micras. Además, este voltaje es en principio escalable linealmente, lo que significa que las distancias más grandes deberían conducir a voltajes más altos».

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